Meraklısına Parçacık Ve Hızlandırıcı Fiziği
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Meraklısına Parçacık ve Hızlandırıcı Fiziği Bora Akgün,∗ Gökhan Ünel,y Samim Erhan,z Sezen Sekmen,x Umut Köse,{ Veli Yıldızk 06/03/14 Bu kısa kitapçık yazımı bitirilirken meydana gelen Soma felaketinde yaşamını kaybeden maden işçilerine ve verecekleri eğitim ve yetiştirecekleri aydın nesiller sayesinde yersiz ölümlerin "kaza ve kader" olmaktan çıkıp "tarih" olmasını sağlayacak olan öğretmenlere adanmıştır. Özet Yakın zamanda, özellikle Higgs parçacığının keşfi sayesinde CERN laboratuvarına ve orada gerçekleşen hız- landırıcı ve parçacık fiziğine karşı yoğun bir ilgi ve merak oluştu. Bu merak yersiz değildir, çünkü parçacık ve hızlandırıcı fiziği, bilimin ve teknolojinin sınırlarını zorlayan, her an yenilikçi buluşlarla beslenen çok hareketli ve renkli bir bilim dalıdır. İşte tam bu sebepten öğrencilerin, gençlerin ve içinde keşif heyecanı taşıyan herkesin evrenın en temel yapıtaşlarını bulmayı amaçlayan bu dalı yakından tanımalarının yararlı olacağını düşünüyoruz. Bu amaçla CERN deneylerinde görevli Türk fizikçiler olarak 23-27 Şubat 2014 tarihleri arasında CERN Türk Öğretmenler Programı’nın birincisini düzenledik. Türkiye’nin çok farklı yerlerinden gelen ortaöğretim ve lise öğretmenlerine CERN’i, hızlandırıcıları, algıçları ve tüm bu teknolojiyi kullanarak anlamaya ve keşfetmeye çalıştığımız parçacık fiziğini tanıttık. Etkinliğe katılan öğretmen arkadaşlarımızın ilgisi ve edindikleri bilgileri öğrencilerine, meslektaşlarına ve tüm meraklılara yaygınlaştırma heyecanları bizlerde de bu konuda somut katkıda bulunma isteği uyandırdı. Etkinlik sırasında yaptığımız sunumlardan ve gelen sorulardan yola çıkarak bu küçük kitapçığı hazırladık. Kitapçıkta CERN araştırma merkezi, parçacık fiziğine giriş, hızlandırıcı fiziği, algıç fiziği, Higgs buluşu, nötrino fiziği ve CERN araştırmalarının temel bilim dışı uygulamaları ana başlıklarında bilgileri, fazla matematiksel olmayan, basit bir dille derleyip sunmaya çalıştık. İyi okumalar... CC BY Bu kitapçık, çoğaltılabilir veya yeniden dağıtılabilir veya her türlü biçimde yayımlanabilir veya lisansa ve yazarlara Yaratıcı Kamu (Creative Commons) lisansında belirtilen biçimde atıf yapılması koşuluyla işbu özgün çalışmaya dayanan yeni çalışmalar türetilebilir. ∗Rice Univ. Fizik Bölümü, Houston, ABD yKalforniya Univ. Fizik Bölümü, Irvine, ABD zKalforniya Univ. Fizik Bölümü, Los Angeles, ABD xCERN, Fizik Bölümü, İsviçre {INFN. Fizik Bölümü, Padova, İtalya kCERN, Hızlandırıcı Bölümü, İsviçre 1 İçindekiler 1 Bilimi ve Yeniliği Hızlandıran CERN 4 2 Parçacık Fiziği 10 3 Hızlandırıcı Fiziği 14 3.1 Elektrostatik Hızlandırıcılar . 14 3.1.1 Cockroft−Walton Hızlandırıcısı . 14 3.1.2 Van de Graaff Hızlandırıcısı . 15 3.2 Radyo Frekansı Hızlandırıcılar . 15 3.2.1 Doğrusal Hızlandırıcılar . 16 3.2.2 Dairesel Hızlandırıcılar . 17 4 Algıç Fiziği 20 4.1 Bulut Odası . 21 4.2 Köpük Odası . 21 4.3 Dünden bugüne . 21 4.4 Pırıldak ve Enerji Ölçümü . 22 4.5 İz sürme ve Momentum Ölçümü . 23 4.6 ATLAS Algıcı . 23 2 5 Ve CERN Higgs’i Buldu 26 5.1 Kütle sorunu ve Higgs işleyişi . 26 5.2 BHÇ’de Higgs gözlemi . 27 5.2.1 Higgs üretimi . 27 5.2.2 Higgs bozunma kanalları . 28 5.2.3 Sinyali ardalandan ayırmak . 28 5.3 Higgs’ten ne öğrendik? Şimdi ne yapacağız? . 32 6 Nötrinoların Dünyasına Kısa Bir Yolculuk 34 6.1 X ışınlarından radyoaktivite . 34 6.2 Enerji korunumu krizi . 34 6.3 Nötrino varsayımı . 35 6.4 Kuramsal temellerin oluşturulması . 36 6.5 Nötrinoların keşfi . 38 6.6 Zayıf kuvvetlerde Parite (sağ-sol) simetrisi çiğneniyor mu? . 39 6.7 Nötrino sayısı ve hızlandırıcılarda nötrinoların üretilmesi: . 41 6.8 Elektron ve müon dışında daha ağır bir lepton var mı? . 42 6.9 Elektron ve müona birer nötrino eşlik ediyorsa tau leptonuna neden eşlik etmesin? . 43 6.10 Standard modelin oluşturulması: . 43 6.11 Nötrinoların kaynağı nedir? . 45 6.11.1 Büyük patlama . 45 6.11.2 Süpernovalar . 45 6.11.3 Güneş . 47 6.11.4 Havaküre . 48 6.11.5 Nükleer reaktörler . 48 6.11.6 Hızlandırıcılar . 49 6.11.7 Dünya . 49 6.11.8 İnsan . 50 6.12 Standard modelin ötesinde yeni fiziğin ayak sesleri . 50 6.13 Nötrino Salınımı . 51 6.14 Nötrinoların kütleleri . 54 6.14.1 Nötrinolar nasıl kütle kazanır? . 54 6.15 Sonsöz . 54 7 Temel Bilim Dışı Uygulamalar 58 7.1 Bilişim dünyasından . 59 7.2 Elektronik dünyasından . 59 7.3 Tıp dünyasından . 60 7.4 Eğitim dünyasından . 62 7.5 Tarih, dilbilim ve fiziğin kesişme noktası . 63 3 Şekil 1: Kuruluş 1 Bilimi ve Yeniliği Hızlandıran CERN Samim Erhan Cenevre şehri yakınında, İsviçre–Fransa sınırında kurulu dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısına ev sahipliği yapan Avrupa Nükleer Araştırma Laboratuvarında yapılan bilimsel araştırmalarda sadece bilimin sınırları zorlan- makla kalmıyor, bu çalışmalar için gerekli teknoloji ve bunların sonucu yenilikler de hız kazanıyor. İkinci Dünya Savaşı’ndan parçalanmış olarak çıkan Avrupa’da, bilimsel çalışmalar da eski parlak günlerinin çok gerisinde kalmıştı. Zamanın ileri görüşlü tanınmış bilim insanları bu gidişin geri döndürülmesini sağlamak için ulus- lararası bir atom fiziği laboratuvarı hayal etmeye başladılar. Böyle bir laboratuvar sadece parçalanmış Avrupa’yı birleştirme konusunda öncülük etmekle kalmayacak, aynı zamanda ülkelerin kendi olanakları ile gerçekleştireme- yecekleri büyük bir tesise olanaklarını birleştirerek ulaşabilmelerini sağlayacaktı. 9 Aralık 1949’da Lozan şehrinde toplanan “Avrupa Kültür Konferansı”nda Louis de Broglie bu düşünceyi resmi olarak dile getirdi. Bir kaç ay sonra Floransa’da toplanan 5. UNESCO konferansında Isidor Rabi uluslararası işbirliğini geliştirmenin bölgesel laboratuvarlar kurulması ile gerçekleşmesini önerdi ve sonuç bildirgesine girmesini sağladı. İki ay sonra 1951’de Paris’te 11 ülke Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi kurulmasına karar verdi. Adı İngilizcede “European Council for Nuclear Research”, Fransızcada “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” olan bu kuruluşun Fransızca isminin baş harfleri, kurumun kısa adı olarak kullanılmaya başlandı (CERN). 1952’de geçici Konseyin 3. toplantısında merkezin Cenevre’de kurulmasına karar verildi ve ilk kazma 1954’de vu- ruldu. Kuruluş anlaşması ise 12 ülke tarafından 1953’de imzalandı. Danimarka, Fransa, Batı Almanya, Yunanistan, 4 Şekil 2: İlk toplantı ve sağda1954 yılında ilk kazma vurulmadan hemen önce İtalya, Hollanda, Norveç, İsveç, İsviçre, İngiltere ve Yugoslavya parlamentoları onamaları 29 Eylül 1954 tarihinde tamamlanarak 1952’de kurulan geçici “Avrupa Nükleer Araştırmalar Konseyi” yerine Avrupa Nükleer Araştırmalar Organizasyonu kurulmuş oldu. İsmi değişse de, yeni yapılanma CERN kısaltmasını kullanmaya devam etti. En son İsrail’in katılımı ile üye ülke sayısı 21 olan CERN Laboratuvarında bütün dünyadan 10 binin üzerinde bilim insanı bilimin sınırlarını genişletmeye devam etmektedir. İsmindeki “nükleer” kelimesi kuruluş tarihlerde maddeyi anlamaya çalışan fizikçilerin, çoğunlukla atomun ve atom çekirdeğinin yapısı ile ilgileniyor olmasından kaynaklanıyor. Burada yapılan araştırmaların sivil veya askeri enerji üretimi ile hiç bir ilgisi olmamasına rağmen, CERN, kuruluş aşamasında aldığı ismi kullanmaya devam ediyor. Bugün ise maddenin temel yapı taşlarını ve aralarındaki etkileşmeleri inceleyen bilim dalına “parçacık fiziği” diyoruz. Maddenin çok küçük boyutlardaki yapısını incelemek için de maddeyi çok yüksek enerjilerde çarpıştırmak gerekiyor. Çarpışma enerjisi ne kadar büyük olursa o kadar küçük boyutlarda inceleme olanağı veriyor. Bunun için de parçacık hızlandırıcıları kullanılıyor. CERN’de birbirini tamamlayarak en yüksek enerjilere ulaşılmasını sağlayan bir takım hızlandırıcıların yanında kendi enerji sınırlarında yapılan deneylere de ev sahipliği yapabilen çeşitli hızlandırıcılar bulunmaktadır. CERN’in temel işlevi maddenin yapı taşlarını ve bunların birbiri ile etkileşmelerini incelemek ve bu konuda yapılan deneysel çalışmalara ev sahipliği yapmak olsa da, bir taraftan geleceğin bilim insanı, mühendis ve kalifiye işgücünü yetiştirerek, bir taraftan da araştırmalarda gerekli teknolojilerin geliştirilmesini sağlayarak, üye ülkelere yetişmiş insan gücü ve bilgi birikimi sağlamaktadır. Bütün dünyadan bilim insanları için bir çekim merkezi oluştu- rarak da, değişik ülke ve kültürlerden insanları birleştirmektedir. İsviçre – Fransa sınırında bulunan CERN’in ana yerleşkesine bu iki ülke ortak ev sahipliği yapmaktadır. İsviçre – Fransa sınırı ana yerleşkenin ortasından geçse de, iki ülke arasında varılan anlaşma gereği yerleşke İsviçre gümrük sınırları içinde sayılmaktadır. Daha sonra kurulan ikince yerleşke Fransa sınırları içinde kaldığından CERN’un biri İsviçre’de diğeri Fransa’da iki adresi vardır. Her gün 4000 üzerinde kadrolu veya diğer sözleşmeli personeli ve başka kurumlardan binlerce araştırmacı tarafından kullanılan, bankaları, postaneleri, kafeteryaları, heykel ve havuzları ile orta boy bir kasaba görünümündedir. CERN’de çalışanlara genel olarak bakıldığında (Şekil 3 sol yan) ise en çok 26 yaşındaki genç araştırmacıların bulunduğu görülebilir: bunlar çeşitli üniversitelerdeki doktora öğrencileridir. Mezun olduktan sonra ne yaptıkları ise aynı şekilde orta ve sol yanda verilmiştir. Görüleceği gibi, çokluk endüstride çalışmakta, bunların da büyük çoğunluğu bilişim alanında yer almaktadır. Bölgede yoğun bir yerleşim olması ve buna bağlı olarak arazi fiyatlarının yüksek olması sonucu, CERN’deki büyük hızlandırıcılar için gerekli alanlar kamulaştırılıp yerleşkelerin sınırları genişletilmek yerine yer altındaki tüneller içine kurulmuş sadece deney bölgelerinde yer üstünde olması gereken destek binalarının bulunduğu bölgeler CERN yerleşkesine katılmıştır. Örneğin 26 km uzunluktaki